Refrigeracin

Laboratorio N5

Nombre: Daro Araya E.

Profesor: German Mendoza.

Ayudante: Alan Fuentes.

Grupo: N5

Fecha: 30 de octubre de 2014

Introduccin

En la siguiente experiencia estudiaremos la refrigeracin, reconoceremos

sus componentes y calcularemos el calor absorbido, el calor rechazado y la

potencia mecnica.

La refrigeracin es el proceso mediante el cual se extrae calor de una

sustancia o espacio produciendo en ella una temperatura inferior a la de sus

alrededores. Existen varios mtodos de refrigeracin pero los sistemas de

compresin mecnica que usan vapores refrigerantes predominan dentro de los

diferentes mtodos de refrigeracin. Esto se consigue extrayendo calor del lugar

que se desea enfriar y expulsndolo al exterior, o un lugar adyacente calor donde la

temperatura sea ms elevada. Dado que el calor no puede transferirse en forma

espontnea desde una zona fra a otra de mayor temperatura, entonces es

estrictamente necesario aportar desde el exterior una determinada cantidad de

trabajo mecnico.

Objetivos

1.1.- Realizar un reconocimiento de los componentes de un ciclo de refrigeracin

mecnica.

1.2.- Trazar el ciclo de trabajo termodinmico en diagrama p-h. Con los estados

reales medidos y leves adecuaciones acorde con el ciclo terico.

1.3.- Calcular el calor cedido por el refrigerante en el condensador, en kW.

1.4.- Calcular el calor absorbido por el refrigerante por el pistn, en kW.

1.5.- Calcular la potencia mecnica entregada al refrigerante por el pistn, en kW.

1.6.- Determinar la eficiencia del ciclo COP, basada sobre la potencia entregada por

el pistn al refrigerante y tambin sobre la potencia consumida por el motor elctrico.

Marco Terico

La refrigeracin es el proceso mediante el cual se extrae calor de una

sustancia o espacio produciendo en ella una temperatura inferior a la de sus

alrededores. Existen varios mtodos de refrigeracin pero los sistemas de

compresin mecnica que usan vapores refrigerantes predominan dentro de los

diferentes mtodos de refrigeracin. Esto se consigue extrayendo calor del lugar

que se desea enfriar y expulsndolo al exterior, o un lugar adyacente calor donde la

temperatura sea ms elevada. Dado que el calor no puede transferirse en forma

espontnea desde una zona fra a otra de mayor temperatura, entonces es

estrictamente necesario aportar desde el exterior una determinada cantidad de

trabajo mecnico.

En todos los sistemas de refrigeracin hay un fluido refrigerante o agente

frigorfico, es decir un fluido que sirve de medio para extraer el calor del espacio o

sustancia que se desea enfriar.

Todo refrigerante tiene la propiedad de evaporarse a muy bajas

temperaturas. El enfriamiento se efecta por la evaporacin del lquido refrigerante

bajo presin y temperatura reducidas. Luego, mediante la compresin mecnica, se

eleva la temperatura de saturacin del vapor, lo que permite que este se condense

por transferencia de calor al aire ambiente o agua de enfriamiento. El proceso de

expansin se efecta ordinariamente en una vlvula de expansin termosttica o

automtica, o bien un simple tubo capilar.

Un sistema mecnico de refrigeracin, es un ciclo termodinmico cerrado,

pero donde cada unidad componente funciona en un sistema abierto. Por lo tanto,

loe elementos bsicos de un ciclo de refrigeracin por compresin de vapores est

compuesta por las siguientes unidades:

Evaporador: Serpentn o intercambiador de calor que absorbe calor del ambiente

o sustancia que se desea enfriar. En este proceso, el refrigerante, muy fro,

experimenta una evaporacin al retirar calor del ambiente a enfriar, mediante un

proceso aproximadamente isobrico. Puede salir como vapor sobrecalentado.

Compresores: Unidad que aspira refrigerante a baja presin y temperatura, en fase

de vapor y lo comprime aumentando su presin y temperatura. El proceso de

compresin idealmente puede considerarse isentrpico, pero en forma real, es un

proceso politrpico.

Condensador: Serpentn que rechaza calor al ambiente o al agua de enfriamiento,

que se encuentran a menor temperatura que el refrigerante. Producto de este

rechazo de calor el refrigerante se condensa, saliendo como lquido saturado o sub-

enfriado, mediante un proceso aproximadamente isobrico.

Sistema de Expansin: Unidad que mediante un proceso de estrangulamiento del

refrigerante, hace caer fuertemente su presin y al mismo tiempo su temperatura,

permitiendo que el fluido llegue muy fro al evaporador. El refrigerante en este

proceso isoentlpico experimenta una evaporacin parcial, es decir sale como vapor

saturado hmedo.

Descripcin del Equipo

Equipo didctico de aire acondicionado y refrigeracin marca Scott. Utiliza

refrigerante R12 (Fren 12). La instrumentacin del equipo est expresada en

unidades inglesas.

Presenta los siguientes componentes:

Compresor: Unidad hermtica sellada conteniendo en su interior motor elctrico y

compresor alternativo de un cilindro y una etapa. El motor es para 115 volts.

Condensador: Serpentn de tubos de cobre y aletas de aluminio. Adems posee

en su parte posterior un ventilador de velocidad variable, para 800, 1050 y 1500

rpm.

Visor cualitativo de humedad y circulacin de refrigerante: Visor que posee un

disco de un compuesto qumico determinado, que cambia de color segn el

contenido de agua en el circuito.

Rotmetro o medidor de flujo: Instrumento que indica el caudal msico de

refrigerante que circula por la lnea. La lectura esta dad en lb/min (ppm).

Filtro deshumectador: Cartucho que atrapa las impurezas fsicas por medio de

finas mallas. Posee en su interior slica gel (material higroscpico) que absorbe el

agua que puede existir el interior del circuito. Su funcin es prevenir que el agua no

pase a la vlvula de expansin, ya que esta se congelara en esa unidad y obstruira

el flujo.

Tubo capilar: Tubo de dimetro interior muy pequeo de aproximadamente 1 mm.

y de un largo determinado, que provoca un gran estrangulamiento del refrigerante,

logrando bajar su presin y temperatura del fluido para que llegue muy fro al

evaporador.

Vlvula de expansin termosttica: Su finalidad tambin es de provocar la cada

de presin y temperatura del refrigerante, pero adems permite la admisin del

lquido refrigerante al evaporador de acuerdo al grado de sobrecalentamiento que

se impone a la salida de ste.

Evaporador: Serpentn de caractersticas anlogas al condensador, pero donde el

refrigerante fro absorbe calor del ambiente o fluido que circula a travs de l ,

provocando la evaporacin del refrigerante.

Estanque receptor de lquido refrigerante: Depsito que permite mantener una

reserva de refrigerante para distintos requerimientos de funcionamiento. Mediante

un control de vlvulas especiales se controla la entrada o salida de refrigerante del

depsito.

Estanque separador de aceite lubricante: Aceite que pasa a travs de los anillos

del compresor y se mezcla con el refrigerante, es separado en ste estanque por

cambio de direccin violenta. El estanque recibe el refrigerante que sale del

evaporador.

Acumulador de aceite: Depsito que recibe el aceite que es separado del

refrigerante en el estanque separador mencionado anteriormente. El aceite,

posteriormente, es enviado al crter del compresor. El aceite lubricante es

contraproducente en el circuito, ya que dificulta la buena transferencia de calor en

el evaporador y condensador.

Vlvula solenoide de 4 pasos: sta vlvula permite invertir el sentido de flujo de

refrigerante, por lo tanto ahora el condensador trabajar como evaporador y vice-

versa.

Presostato: Es un interruptor automtico que desconecta el motor elctrico en

presencia de sobrepresiones y lo conecta cuando la presin ha descendido a los

mrgenes de trabajo. Esta unidad regula la presin mxima de trabajo del

compresor, para evitar sobrecargas del motor elctrico y adems se establece un

diferencial de presin para la nueva partida del motor.

Juego de Vlvulas de Circuito: Estn distribuidas en todo el ciclo con el fin de

regular el paso y flujo de refrigerante.

Manmetros y Termmetros de Circuito: estos indicadores estn ubicados en el

circuito en lugares que muestran las condiciones ms representativas del ciclo de

refrigeracin. Son 5 las ubicaciones que caracterizan los estados del refrigerante.

Punto 1 (P1):p1, t1= Descarga del compresor y entrada al condensador.

Punto 2 (P2): p2, t2= Salida del condensador y entrada al sistema de expansin.

Punto 3 (P3): p3, t3= Entrada al evaporador y salida del tubo capilar.

Punto 4 (P4): p4, t4= Salida del evaporador.

Punto 5 (P5): p5, t5= Aspiracin del compresor.

Donde: p y t son la presin y temperatura respectiva.

Panel Sistema Elctrico: Posee un switch que da paso a la energa elctrica al

motor elctrico los interruptores de accionamiento y los ventiladores. Adems posee

un voltmetro, un ampermetro y un wattmetro. Este ltimo permite leer la potencia

consumida por los artefactos elctricos, tales como ventiladores y motor elctrico.

Adems posee otros accionamientos para invertir el ciclo y provocar fallas

premeditadas.

Esquema

Procedimiento

Procedimiento de trabajo en ciclo normal

1- Abrir vlvulas V1, V4 y V7. Cerrar restantes (funcionamiento con tubo capilar)

2- Girar llave S1 en sentido punteros del reloj. Entrega energa a la lnea

3- Subir palanca S2, suministro de energa

4- Girar interruptor S5 del ventilador, del condensador a velocidad media

5- Girar interruptor S6 del ventilador, del evaporador a velocidad media

6- Seleccionar el interruptor S7 en normal

7- Subir el interruptor S8 de potencia del compresor

8- Esperar el tiempo necesario para que el sistema entre a rgimen

Mediciones y Observaciones

1.- Potencia de ambos ventiladores, antes de poner en marcha el compresor

5.2.- Potencia total con ventiladores y compresores en marcha

5.3.- Flujo msico de refrigerante (lb/min)

5.4.- Presiones y temperaturas en los puntos P1, P2, P3, P4 y P5 del ciclo

5.5.- Observar los cambios de fase en el condensador y evaporador

Frmulas

1- Calor rechazado por el condensador

= = (2 1) []

Donde:

1, 2: Entalpas especficas del refrigerante a la entrada y salida del condensador (KJ/kg).

: Masa de refrigerante en unidad de tiempo (kg/s).

2- Calor absorbido en el evaporador

= = (4 3) []

3, 4: Entalpas especficas del refrigerante a la entrada y salida del evaporador (KJ/kg).

3- Potencia entregada por el pistn al refrigerante

Si la compresin se supone isentrpica (adiabtica reversible) entonces:

= (1 5) []

1, 5: Entalpas especficas del refrigerante a la entrada y salida del compresor (KJ/kg).

4- Eficiencia del ciclo COP

=

Resultados

1 PSIg = 0.00689475728 Mpa =+459,67

1,8

= 690 [] = 115 [] = 10 []

Datos Termodinmicos

Propiedades 1 2

() 0,8411 0,8963

() 307,59 315,37

() 0,8273 0,8825

() 303,15 305,92

() 0,2826 0,2964

() 270,37 277,59

() 0,2482 0,2757

() 290,92 288,70

() 0,2344 0,262

() 289,81 289,26

m (kg/s) 0,013607771 0,013607771

Diagrama P-h

Utilizando los Datos Termodinmicos 1:

232 (KJ/Kg) 230 (KJ/Kg) 220 (KJ/Kg) 231 (KJ/Kg) 230 (KJ/Kg)

= = 0,013607771 (230 232)

= 0,027 []

= = 0,013607771 (231 220)

= 0,149 []

= 0,013607771 (232 230)

= 0,027 []

=0,149

0,027= 5,518

Utilizando los Datos Termodinmicos 2:

230 (KJ/Kg) 228 (KJ/Kg) 222 (KJ/Kg) 229 (KJ/Kg) 228 (KJ/Kg)

= = 0,013607771 (228 230)

= 0,027 []

= = 0,013607771 (229 222)

= 0,095 []

= 0,013607771 (230 228)

= 0,027 []

=0,095

0,027= 3,518

Conclusiones

Al finalizar la experiencia pudimos aprender a realizar las observaciones de

cada componente del sistema de refrigeracin, ya sea del compresor, el evaporador,

el condensador y la vlvula de expansin, conociendo as su funciones y

caractersticas. Se realizaron las mediciones adecuadas para los clculos

requeridos en los objetivos de este laboratorio. Se realizaron mediciones en los

instrumentos de temperatura y presin para diferentes puntos del proceso y el nico

flujo msico que se utiliz.

Se pudo notar un cambio brusco en las mediciones en el punto 2 saliendo del

condensador hasta llegar al punto 3, entrando al evaporizador. Esto ocurre debido

a que el sistema est expulsando un calor rechazado, y posteriormente para hacer

funcionar el evaporizador el sistema est absorbiendo el calor. Estos intercambios

de energas se producen con el aire presente en el ambiente, el que es utilizado

para absorber o expulsar calor a travs del trabajo mecnico segn corresponda.

El coeficiente de operacin (COP) dio como resultado 5,518 con los datos

N1 y 3,518 con los datos N2.

Las variaciones del COP son generadas por errores tales como la

descalibracin de instrumentos de medicin y la imprecisa medicin de las entalpas

mediante el diagrama p-h.

Tambin se puede concluir que para que calor pueda ser transferido desde

una zona fra a otra zona que sea de mayor temperatura, es necesario agregar

desde el exterior una cierta cantidad de trabajo.